上海市中心城區(qū)初期雨水污染治理策略與案例分析

程曉波

（上海市城市排水有限公司，上海 200233）

1 背景

1.1 排水系統(tǒng)現(xiàn)狀

排水系統(tǒng)格局：上海市中心城區(qū)已形成合流制和分流制排水體制并存的格局，合流制排水系統(tǒng)主要分布于中心城區(qū)蘇州河沿岸。 根據(jù)2002年 《上海市城鎮(zhèn)雨水系統(tǒng)專業(yè)規(guī)劃》，全市共規(guī)劃建設(shè)排水系統(tǒng)361個。其中，中心城區(qū)規(guī)劃建設(shè)排水系統(tǒng)281個。至2009年底，全市已建成排水系統(tǒng)250個(中心城區(qū)建成 213個）。其中，合流制排水系統(tǒng)71個，約占已建排水系統(tǒng)面積的31%。

1.2 初期雨水污染現(xiàn)狀

上海市中心城3大片區(qū)、5大干線、213個排水系統(tǒng)的建立使得中心城區(qū)點(diǎn)源污染的控制率已達(dá)到85%。隨著點(diǎn)源污染治理的不斷完善，中心城區(qū)面源污染對水環(huán)境污染貢獻(xiàn)率已超過點(diǎn)源污染，而且，隨著時間的推移，這一比例還將繼續(xù)上升。為此，必須進(jìn)一步完善和拓展水環(huán)境治理思路，確保水環(huán)境質(zhì)量持續(xù)穩(wěn)步提高。

根據(jù)上海市環(huán)科院《污染控制和水源地保護(hù)規(guī)劃》的研究成果，全市各類面源COD合計 35.5萬t/a，其中城鎮(zhèn)地表徑流面源污染COD 24.26萬t/a。中心城區(qū)地表徑流面源污染COD 8.61萬t/a，浦西6.38萬t/a，浦東2.23萬t/a。由于地表徑流面源污染短時間高強(qiáng)度集中排放，對地表受納水體形成高負(fù)荷沖擊，水質(zhì)惡化、不穩(wěn)定，影響水環(huán)境治理成果。

1.3 排水標(biāo)準(zhǔn)

上海現(xiàn)行的排水標(biāo)準(zhǔn)一般為1 a一遇，重要地區(qū)采用3 a一遇，低于國內(nèi)外許多大城市水平，導(dǎo)致暴雨期間超出設(shè)計排水能力的降雨徑流形成溢流，嚴(yán)重污染城市受納水體水質(zhì)（見表1）。

表1 不同城市不同重現(xiàn)期暴雨強(qiáng)度對比表

1.4 排江量及水質(zhì)

上海市平均降雨日約132d，年均量約1 150 mm，全年70%左右雨量集中在4～9月。汛期降雨特征：歷時短、強(qiáng)度大。以蘇州河為例，統(tǒng)計2007－2009年蘇州河沿岸排水系統(tǒng)初期雨水溢流量達(dá)3 300萬m3/a，其中 60%集中于 7～9 月（見圖 1、圖 2）。

圖1 蘇州河沿岸年初期雨水溢流量統(tǒng)計圖（2007-2009）

圖2 蘇州河沿岸月平均初期雨水溢流量統(tǒng)計圖（2007-2009）

初期雨水污染負(fù)荷大，上海中心城區(qū)蘇州河沿岸泵站初期雨水中COD、氨氮等主要污染指標(biāo)事件平均濃度分別超過410 mg/L和25 mg/L，超過地表水Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)9.3倍和11.7倍，對蘇州河尤其是汛期水質(zhì)造成嚴(yán)重的沖擊性污染（見表2）。

表2 上海成都路排水系統(tǒng)初期雨水污染物濃度統(tǒng)計表（單位：mg/L）

2 治理策略及工程案例

2.1 國內(nèi)外研究進(jìn)展

國際：從20世紀(jì)70年代起，美國、德國、日本等，通過長期規(guī)劃、控制方法、排放標(biāo)準(zhǔn)、計算機(jī)模擬和監(jiān)控等方面開展大量研究，制定出一系列的指導(dǎo)措施，通過源頭分散、中途和末端蓄排以及末端治理等技術(shù)以削減初期雨水污染物。

國內(nèi)：研究起始于上世紀(jì)80年代，本世紀(jì)初引起廣泛關(guān)注，先后在北京、上海等城市開展了城市集水區(qū)、排水系統(tǒng)、屋面、道路等初期雨水污染相關(guān)研究。廣州、合肥、昆明等城市也紛紛開展前期工作。

上海初期雨水污染控制理論研究：《合流制排水系統(tǒng)初期雨水污染控制技術(shù)》（2003-2005年）榮獲上海市科技進(jìn)步三等獎。對初期雨水進(jìn)行調(diào)蓄處理并配套相應(yīng)的管理措施，以期大大削減排入蘇州河的初期雨水污染負(fù)荷。調(diào)蓄池工程將有助于減少黃浦江和蘇州河水系的水體污染，提高城市防汛能力。溢流調(diào)蓄池同樣適用于上海存在嚴(yán)重雨污水混接現(xiàn)象的分流制排水系統(tǒng)。

《中心城區(qū)和新城市化地區(qū)面源污染控制關(guān)鍵技術(shù)與示范工程》（2004-2006年）榮獲上海市科技進(jìn)步二等獎。揭示城市非點(diǎn)源污染規(guī)律；探索了自然和人工強(qiáng)化徑流調(diào)蓄系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)；高效實(shí)用的調(diào)蓄與就地處理相結(jié)合工藝雨水污染防治專項(xiàng)規(guī)劃。

2.2 治理策略

中心城區(qū)已建系統(tǒng)：以工程措施和管理措施兩手抓，推廣雨水利用和源頭控制設(shè)施的建設(shè)，在提高中心城區(qū)的防汛抗洪能力的同時，減少雨天溢流污水對河道造成的污染。

舊城改造地區(qū)：雨水系統(tǒng)建設(shè)時將同步建設(shè)溢流污染控制措施，積極探索采用適合上海本地情況的雨水最佳管理方法。

中心城區(qū)新建系統(tǒng)：蓄排結(jié)合，提高城市雨水防汛標(biāo)準(zhǔn)的同時控制治理初期雨水污染。提出低影響開發(fā)，通過綜合性措施從源頭上降低開發(fā)導(dǎo)致的水文條件的顯著變化和雨水徑流對生態(tài)環(huán)境的影響。

區(qū)縣新建系統(tǒng)：按管道排水與天然溝渠、水塘相結(jié)合的方法，建設(shè)接近自然狀態(tài)的排水系統(tǒng)，并注重通過工程性與非工程性措施對雨水污染開展源頭控制。

調(diào)蓄隧道研究：上海市正在大力開展隧道調(diào)蓄初期雨水研究，對蘇州河調(diào)蓄管系統(tǒng)、兩港調(diào)蓄管系統(tǒng)進(jìn)行研究。

2.3 治理措施

控制與治理初期雨水污染理念：利用工程性和非工程型措施截留初期濃度較高的雨水徑流，達(dá)到良好的環(huán)境效益投資比。達(dá)到合流制排水系統(tǒng)全年排入水體的污染負(fù)荷總量，應(yīng)不得大于相同條件下分流制系統(tǒng)排入水體的污染負(fù)荷總量。

合流制系統(tǒng)溢流污染控制的任務(wù)為：對雨水進(jìn)行截流處理，在保證流入污水處理廠的水量不超過其設(shè)計允許流量的同時，使直接排放的雨水對水體造成的沖擊性負(fù)荷在可接受的范圍內(nèi)。因?yàn)橐粋€水體的質(zhì)量好壞是由全部進(jìn)入該水體的污染物總量來決定的，需要將進(jìn)入受納水體的全部污染物總量減少到最低程度。

工程性措施：包括可持續(xù)城市排水系統(tǒng)（SUDS）、污水截污納管、排水系統(tǒng)達(dá)標(biāo)改造、調(diào)蓄池、下凹式綠地、河漫灘、人工濕地、土地處理系統(tǒng)等。

非工程性措施：包括雨水利用、最佳管理措施（BMP）、低影響開發(fā)（LID）、地表清掃、管道疏通等。

其他：包括政策指導(dǎo)、稅收調(diào)節(jié)、財政補(bǔ)貼等手段。

2.4 國內(nèi)外工程案例

美國：芝加哥1975年始建世界上最大溢流雨水調(diào)蓄隧道及水庫工程 （TARP），4個隧道系統(tǒng)組成，總?cè)萘?6 800萬m3。

德國：截至2002年，已擁有38 000座雨水池，其中溢流截流池24 000座，雨水截流池12000座，雨水凈化池2 000座，總?cè)萘窟_(dá)4 000萬m3。

日本今井川地下調(diào)蓄池 （調(diào)蓄隧道）容量178 000 m3，池體內(nèi)徑10.8 m，長度2 000 m，盾構(gòu)法施工，沿國道一號線施工，服務(wù)面積達(dá)7.6 km3。

澳大利亞悉尼北灘（Northern Beaches）調(diào)蓄工程：調(diào)蓄池容量18 000 m3，連同北灘就地解決方案，可使當(dāng)?shù)氐挠昙疽缌黝l率減少到低于20次/10a。

香港：大坑?xùn)|地下蓄洪池及泵站 容量10萬m3；市區(qū)已建成多條雨水截流隧道。

上海：蘇州河環(huán)境綜合整治二期工程建設(shè)了5座調(diào)蓄池 （總?cè)莘e70 700 m3）+新師大調(diào)蓄池；2010世博會園區(qū)建設(shè)了4座調(diào)蓄池（總?cè)莘e19 800 m3）；西區(qū)污水輸送干線改造工程建設(shè)了1座帶后續(xù)處理功能的調(diào)蓄池（容積20 000 m3）。

昆明：市區(qū)二環(huán)內(nèi)在建18座調(diào)蓄池。

3 工程案例分析

3.1 容積設(shè)計分析

調(diào)蓄池采用的容積設(shè)計方法有：面積負(fù)荷法（德國經(jīng)驗(yàn)公式、日本經(jīng)驗(yàn)公式、降雨量估算法）、調(diào)蓄時間法（截流強(qiáng)度法、降雨強(qiáng)度曲線計算法、沖擊負(fù)荷法）、脫過系數(shù)法、統(tǒng)計降雨頻率累計法、模型計算法、目標(biāo)反推法（見表 3、表 4）。

調(diào)蓄池容積設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的選用直接影響調(diào)蓄池暴雨溢流削減量和削減率。應(yīng)當(dāng)因地制宜，根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕涤晏卣骱拖聣|面特征，并結(jié)合已建工程的實(shí)際運(yùn)行效果和地區(qū)削減污染負(fù)荷的實(shí)際需要，采用合適的調(diào)蓄池容積設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)研究表明，在上海中心城區(qū)人口密集區(qū)，采用90～100 m3/hm2的設(shè)計容積，可取得良好的環(huán)境效益。

3.2 運(yùn)行模式分析（見表5）

3.3 沖洗模式分析

調(diào)蓄池采用的沖淤清洗方法有：人工清潔、水力發(fā)射器沖洗、潛水?dāng)嚢杵鲾嚢?、水力沖洗翻斗沖洗、連續(xù)溝槽沖洗、鏟車機(jī)械清除、門式自沖洗和沖淤拍門等模式。

上海已建設(shè)的調(diào)蓄池采用的沖洗方式有：潛水?dāng)嚢杵鲾嚢琛⑺_洗翻斗沖洗、連續(xù)溝槽沖洗、門式自沖洗等幾種方式，其中門式自沖洗裝置的沖洗力非常強(qiáng)大，建議在設(shè)計條件允許時優(yōu)先采用。

表3 上海采用德國經(jīng)驗(yàn)公式法設(shè)計的已建設(shè)雨水調(diào)蓄池統(tǒng)計表

表4 上海采用截流強(qiáng)度法設(shè)計的已建設(shè)雨水調(diào)蓄池統(tǒng)計表

表5 蘇州河二期建成雨水調(diào)蓄池運(yùn)行模式統(tǒng)計表

3.4 除臭方式分析（見表6）

表6 不同除臭工藝原理比較表

上海已建成的幾座調(diào)蓄池有單獨(dú)采用噴淋植物液除臭、單獨(dú)采用離子法除臭和采用植物液+離子法組合除臭等方式。離子法除臭要求除臭空間密閉，需要通過風(fēng)管等收集系統(tǒng)將臭氣擴(kuò)散源的氣體收集送至處理系統(tǒng)，除初步建設(shè)費(fèi)用較高外，具有處理能力強(qiáng)，易操控的特點(diǎn)，是目前較優(yōu)的除臭選擇方案。

4 環(huán)境效益分析（見表7）

表7 新昌平調(diào)蓄池運(yùn)行效果統(tǒng)計表

4.1 環(huán)境效益之一：初期雨水溢流量削減

以新昌平調(diào)蓄池為例，其服務(wù)面積3.45 km2，有效容積15 000 m3，2009年有效運(yùn)行75次，年削減初期雨水溢流量達(dá)54.34萬m3，初期雨水溢流量削減為30.6%。

2010年有效運(yùn)行68次，年削減初期雨水溢流量達(dá)53.11萬m3，初期雨水溢流量削減為28.9%。

4.2 環(huán)境效益之二：初期雨水溢流污染物削減

2009年，新昌平雨水調(diào)蓄池對初期雨水溢流COD、NH4+－N和TP的年均削減總量分別為264.7 t/a、18.5 t/a 和 1.59 t/a。 COD、NH4+－N 和 TP 的年均削減率分別為47.7%、36.6%、和40.2%。

2010年，新昌平雨水調(diào)蓄池對初期雨水溢流COD、NH4+－N和TP的年均削減總量分別為258.7 t/a、18.1 t/a和1.56 t/a。COD、NH4+－N 和TP的年均削減率分別為46.6%、35.7%和39.3%。

研究顯示當(dāng)調(diào)蓄池對溢流COD削減5%時，蘇州河市區(qū)段COD濃度平均可下降13.8 mg/L。由此推斷，調(diào)蓄池削減溢流污染物功能的有效發(fā)揮，將顯著改善暴雨期間蘇州河的水質(zhì)。

蘊(yùn)藻浜調(diào)蓄處理池：容積20 000 m3、后續(xù)就地處理池 （包含混凝反應(yīng)和沉淀兩個區(qū)）設(shè)計能力1 m3/s?？紤]20%的初期雨水量和近期混接雨水量，通過管道和20 000 m3/s調(diào)蓄池調(diào)蓄；處理池分為混凝反應(yīng)和沉淀兩個區(qū)，規(guī)模為1 m3/s，合86 400 m3/d；混凝沉淀處理裝置對污水SS、COD、TP和濁度平均去除率分別為82%、69%、71%和79%以上，可大大削減混接雨水的污染負(fù)荷，減少對河道的影響。

4.3 環(huán)境效益之三：提高系統(tǒng)短時截流倍數(shù)

據(jù)調(diào)蓄池雨水泵啟動強(qiáng)度，理論上開啟1臺雨水泵，成都路排水系統(tǒng)截流倍數(shù)提高5.74倍；若同時開啟2臺雨水泵，可提高8.32倍截流倍數(shù)。

實(shí)際運(yùn)行中：受降雨強(qiáng)度、降雨持續(xù)時間、管道匯流速度、開泵臺數(shù)、截留時間等因素影響，實(shí)際平均截流倍數(shù)要低于理論瞬間截流倍數(shù)。此外，調(diào)蓄池實(shí)際平均截流倍數(shù)的計算還受統(tǒng)計時長的影響。

以2009年17次運(yùn)行數(shù)據(jù)為例：調(diào)蓄池進(jìn)水期間系統(tǒng)截流倍數(shù)提高7.35倍；降雨期間系統(tǒng)截流倍數(shù)提高3.23～4.81倍。

4.4 環(huán)境效益之四：延時效應(yīng)明顯

據(jù)調(diào)蓄池雨水泵啟動強(qiáng)度，理論上開啟1臺雨水泵，成都路排水系統(tǒng)可對5.74倍排水系統(tǒng)截流倍數(shù)以下降雨管道出流峰值出現(xiàn)時間延后約20 min，緩解放江時間20 min；若同時開啟2臺雨水泵，可將8.32倍截流倍數(shù)以下降雨管道出流峰值出現(xiàn)時間延后約30 min，緩解放江時間30 min。

5 結(jié)語

初期雨水污染控制與治理是一項(xiàng)全方位、多領(lǐng)域的系統(tǒng)工程，上海市在借鑒和吸取國內(nèi)外大城市的先進(jìn)理念與經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，并結(jié)合上海實(shí)際情況，利用雨水調(diào)蓄池在初期雨水污染控制與治理方面取得一定成果。初期雨水調(diào)蓄池已被證明具有較好的暴雨溢流量和溢流污染物削減能力，并能提高短期內(nèi)排水系統(tǒng)的排水標(biāo)準(zhǔn)和延緩暴雨洪峰時間。

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